LDO稳压IC增强了移动设备的高功能性

1、Technical ReviewVol.2LDO稳压 IC 增强了移动设备的高功能性随着近年来手机市场的不断扩大，2017 财年全球手机产品年出货量将超过18亿部。由于智能手机具备传统功能手机无法实现的先进功能，所以现已成为日常生活中不可缺少的一部分。为增强以智能手机为代表的移动设备的功能，东芝电子元件及存储装置株式会社正在推动分立半导体产品的开发，包括低压降（LDO）稳压器集成电路（IC ），其特点是具有卓越的电源纹波抑制特性和负载瞬态响应以及低功耗特性。1. 前言随着移动电话市场的增长，2017 财政年度的手机产品出货量将超过18亿部。智能手机作为当今移动设备的典型代表，已经成为人们日常生

2、活中不可或缺的常用工具，其驱动力在于功能的飞速发展，而这是传统功能手机所无法实现的。随着高功能、高附加值移动设备在世界范围内的出现，市场对于具有先进功能的半导体的需求也日益增加，然而这些功能无法由芯片上的主系统（SoC）或电源管理集成电路（IC ）实现。东芝电子元件及存储装置株式会社已经开发出了满足这些技术趋势的分立半导体产品，促进了移动市场的发展。这里，我们将介绍LDO稳压器，它是电源IC 的一种。2. 增强了移动设备的高功能性首先，移动设备的系统发展趋势如图1所示。对于通信系统来说，Long Term Evolution（ LTE）通信系统LTE-Advanced （ 3CA）LTE-Ad

3、vanced （ 2CA）5G-Advance 正变得越来越广泛，这使得高速通信的容量大大高于传统的第三代（ 3G）通信。此外，将多个频率组合到多路数据的超高速通信技术，比如载波聚合（ CA），以及将于 2020 年实现的 5G（第五代）通信商业化，这些都将进一步加速这一趋势。Wi-Fi ?IEEE 802.11acIEEE 802.11axWiGig （ IEEE 802.11ad）摄像机像素28M像素 3D摄像机32M像素 3D摄像机36M像素充电系统快充 3.0快充 4.0下一代Micro USBUSB Type-C存储装置 &存储器 128G bytes 256G bytes

4、512G bytesLPDDR4 SDRAMLPDDR4X SDRAMLPDDR5 SDRAM除了 LTE之外，使用 2GHz以上频率的高速数据通20162017201820192020信（以 Wi-Fi ? 为例）也是一种重要的通信方法。年份（图 1）： 从功能发展角度出发的移动设备发展趋势Copyright ? 2018 Toshiba Corporation, All Rights Reserved.TechnicalReviewVol.2基于国际电气和电子工程师（IEEE） 802.11ac 标准，我们实现了使用5GHz频带的 6.9Gbit/s高速通信，到2019 年，我们将在下一个

5、IEEE802.11ax标准基础上实现更高的10Gbit/s速度。除了通讯协议的进步外，移动相机内部的图像传感器也在不断改进，我们提高了像素计数和数据吞吐量。配备多个图像传感器的3D（立体）相机开发已经从高端机种开始，随后扩展到中端机种，最后是低端机种。其它显著的进步还包括推出通用串行总线（USB） C型，它具有快速充电能力，可满足不断增长的电池容量需求。此外，用于存储装置的三维（堆叠）闪存和用于主存储器的低功耗双数据速率（LPDDR）同步DRAM（ SDRAM）增加了容量和数据传输速率。3. 移动电源设备的发展趋势第二节中所述的所有功能改进都是具有明显效益的技术，但主要的挑战在于如何处理移动

6、设备的限制。例如，移动设备需要在电池容量有限的情况下尽可能长时间地工作。作为缓解这一问题的方法，我们正在研究通过增加电流来增加电池容量和缩短充电时间。此外，还需要工作电压较低（ 1V或更低）的系统 IC 和电流容量更大的电源设备。随着电压的降低和电流的增加，电源设备必须具备图2所示的特性。人们迫切需要高质量、紧凑的电源设备。针对这些需求，我们实现了世界上最小的（ *1 ） LDO稳压器（ TCR15AG，输出电流为 1.5A ， TCR13AG，输出电流为 1.3A ， TCR3UG，电流消耗低至0.34 A）它们全部具有优良的除噪性能和负载瞬态响应，同时最大限度地减少了功耗。我们在设计这些L

7、DO稳压器时所强调的其它特性还包括：吸收电源线路和信号线路上积累的静电，通过静电放电（ESD）保护二极管加强保护，以及促进移动设备的高功能。3.1电源线路除噪性能由于移动设备通常是随身携带使用，为了有效地使用有限的电池电量，电池通常连接到作为DC-DC转换器进行工作的开关电源。虽然这种开关电源可以有效地转换电压，但由于功率转换是通过重复开关操作来完成的，所以会产生开关噪声并在输出电压波形上叠加。电源噪声将损害图像传感器、射频（高频）功率放大器、音频放大器等的良好性能，因为它会降低图像质量和通信质量。120使移动设备具有高功能性）高电流和低电压Bd100（95电源线消噪比90制功率器件的要求高速

8、负载瞬态响应抑80波80高速负载瞬态响应纹源7070电减小封装尺寸和高度60ABCTCR13AGTCR15AG（图 2）： 移动设备电源设备的特性要求1A类 LDO稳压器* 根据规格书的信息（*1 ）是针对输出电流为1.5A 的LDO稳压 IC，基于东芝电子元件及存储装置株式会社在 2017年9月的调查。（图 3）： 1A 类LDO稳压器的电源纹波抑制特性比较Copyright ? 2018 Toshiba Corporation, All Rights Reserved.TechnicalReviewVol.2因此，在开关电源和传感器或放大器之间放置一个在线性区域工作的LDO稳压器，可消除这

9、种噪声。通常，对于1kHz噪声，输出电流为1A或更高的LDO稳压器的除噪性能约为70dB。如果是我们的TCR15AG，我们通过改进开环增益和布局路由，尽可能地阻止了从电源到电路内部的噪声路径泄漏。因此实现了业内最高的（*1 ）除噪能力95dB，这意味着与同类LDO稳压器相比，除噪能力提高了2倍（图 3）。3.2 高速负荷瞬态响应特性LDO稳压器的负载电流是由连接的传感器或放大器所消耗的电流，它会产生很大的波动。例如，当图像传感器从一个黑暗物体转变为一个明亮物体时，电流消耗迅速增加。此外，将帧速率设置为正常的30倍（举例而言）可以实现最近智能手机上流行的慢动作录像功能，但是其电流消耗将增加。随着

10、像素数的增加，最大电流也随之增加。若要衡量当负载电流突然变化时输出的瞬态电压波动有多大，以及恢复到稳态的速度有多快，这就需要采用一个指标即负载瞬态响应，该指标需要不断改进。虽然这一特性在很大程度上取决于输出晶体管的前期驱动能力，但通过获得足够的前期驱动能力，我们可以实现比一般 LDO稳压器更快的响应并降低电压波动一半以上（图 4）。3.3 低电流消耗特性LDO稳压器本身的电流消耗通常是几十A乃至几百 A。在移动设备中，图像传感器（摄像机功能）和射频功率放大器（用于无线功能，比如?）并不总是在工作，而且通常处于待机状态。由于Wi-Fi和 Bluetooth在待机期间传感器或放大器中没有电流消耗，

11、LDO稳压器本身的电流消耗将影响到移动设备的长期运行，即电池的“寿命”。一般来说，当电流消耗降低时，电源线路的除噪性能和高速负载瞬态响应也降低，因此需要采取一个平衡方案。416200300275）Vm133（）围A200范160应10089（响69耗110消态流 10092瞬电载40负00ABTCR13AGTCR15AGABCTCR13AGTCR15AG1A类 LDO稳压器1A类 LDO稳压器* 根据东芝电子元件及存储装置株式会社的评估* 根据规格书的信息（图 4）： 1A类LDO稳压器的负载瞬态响应比较（图 5）： 1A类LDO稳压器的无负载电流消耗比较Copyright ? 2018 To

12、shiba Corporation, All Rights Reserved.TechnicalReviewVol.2我们公司实现了在有负载情况下的卓越除噪特性和负载瞬态响应特性，同时保证了足够的驱动电流，并且能够在无负载的情况下自动降低驱动电流以抑制电流消耗。因此实现了低电流消耗，约为同类LDO稳压器的 1/2 （图 5）。3.4 实现高密度组装的紧凑型和薄型封装随着电池容量的增加和移动设备本身的轻薄化，小型化和薄型封装正在迅速发展，以便在有限的板空间内完成电子元件的高密度组装（图6）。20世纪 90年代，用于移动设备的小型LDO稳压器主要采用尺寸为2.9 × 2.8 ×

13、 1.4 mm （宽×长×高）的封装。自2010 年以来，尺寸为1.0 × 1.0 ×0.65 mm （宽×长×高）的无引线封装已成为主流。为了满足这种小型化的需求，我们正在研发一款尺寸为0.645 × 0.645 × 0.33 mm （宽×长×高）的 WCSP4F封装，它是世界上同类产品中最小的封装之一 （*1 ）。100SMV11.4mm3） 10UFV3.2mm33mm（DFN4 0.6mm3寸尺装1sDFN4 0.26mm 3封WCSP4F 0.14mm3更小和更薄型0.119952000201020152020年份2017* SMV、 UFV、 DFN4、 sDFN4和 WCSP4F是封装名称。（图 6）：移动设备用LDO稳压器封